1、网络层
从发送主机向接受主机传送数据段（segment）
发送主机：将数据段封装到数据报（datagram）中
接收主机：向传输层交付数据段（segment）
每个主机和路由器都运行网络层协议
路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域：决策如何处理IP数据报
网络层核心功能——转发与路由
转发（forwarding）：将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口，转发表确定本路由器如何转发。
路由（routing）：确定分组从源到目的经过的路径，路由算法（routing algorithms）。
网络层核心功能——连接建立
某些网络的重要功能：ATM ，帧中继，X.25
数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接
网络设备（如路由器）参与连接的建立
网络层连接与传输层连接的对比：
网络层连接：两个主机之间（路径上的路由器等网络设备参与其中
传输层连接：两个应用进程之间（对中间网络设备透明）
网络层服务模型：
网络层为发送端（主机）到接收端（主机）的数据报传送通道提供什么样的服务模型？
无连接服务：不事先为系列分组的传输确定传输路径；每个分组独立确定传输路径；不同分组可能传输路径不同；数据报网络
连接服务：首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径（建立连接）；然后沿该路径（连接）传输系列分组；系列分组传输路径相同（分组顺序得到保障）；传输结束后拆除连接；虚电路网络
数据报网络和虚电路网络都是分组交换网络
类似于传输层的无连接服务（UDP）和面向连接服务（TCP），但是网络层服务：主机到主机服务，网络核心实现。
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2、虚电路网络与数据报网络
虚电路VC Virtual Circuit：
一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径（逻辑连接）：分组交换；每个分组的传输利用链路的全部带宽；源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能。
通信过程：呼叫建立（call setup）——数据传输——拆除呼叫
每个分组携带虚电路标识，而不是目的主机地址
虚电路经过的每个网络设备，维护每条经过它的虚电路连接状态
链路、网络设备资源（如带宽、缓存等）可以面向VC进行预分配
预分配资源=可预期服务性能
VC的具体实现：每条虚电路包括：
从源主机到目的主机的一条路径
虚电路号（VCID）,沿路每段链路一个编号
沿路每个网络层设备（如路由器），利用转发表记录经过的每条虚电路
沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址
同一条VC,在每段链路上的VCID通常不同
路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号，VC路径上每个路由器都需要维护VC连接的状态信息！
虚电路信令协议（signaling protocols）
用于VC的建立、维护与拆除：路径选择
应用于虚电路网络：如ATM、帧中继（frame-relay）网络等
目前的Internet不采用
数据报网络：
网络层无连接
每个分组携带目的地址
路由器根据分组的目的地址转发分组
基于路由协议/算法构建转发表；检索转发表；每个分组独立选路。
数据报转发表：
Internet（数据报网络）：计算机之间的数据交换，弹性服务，没有严格时间要求；链路类型众多，特点性能各异，统一服务困难。简化网络 复杂边缘；智能端系统：可以自适应、性能控制、差错恢复。
ATM（VC网络）：电话网络演化而来，核心业务是实时对话：严格的时间、可靠性需求，需要有保障的服务。“哑”端系统，非智能 电话机 传真机；简化边缘，复杂网络；
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3、IPV4协议
IP协议-IP数据报
Internet网络层 是典型的数据报网络：路由和转发的功能
路由协议：路径选择，RIP OSPF BGP
转发表（路由表）
IP协议：寻址规约、数据报（分组）格式、分组处理规约
ICMP协议：差错报告、路由器“信令”
IP数据报：首部+数据（包含上层的数据分组），首部包括很多域和字段（包含固定部分+可变部分）
IP分组格式：版本号（占4位）；总长度字段占16位：IP分组的总字节数；
首部长度：字段占4位，IP分组首部长度；
服务类型字段占8位：指示期望获得哪种类型的服务；
生存时间TTL：字段占8位，IP分组在网络中可以通过的路由器数，路由器转发一次分组，TTL减1。如果TTL=0，路由器则丢弃该IP分组，同时向IP主机发送报文。
协议字段占8位：指示IP分组封装的是哪个协议的数据包。
首部校验和字段占16位：实现对IP分组首部的差错检测，计算校验和时，该字段置全0，采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段。
典型的IP分组首部长度是20个字节。
标识ID字段占16位：标识一个IP分组，IP协议利用一个计数器，每产生一个IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识。
标志位字段占3位：保留+DF(DON’T FRAGMENT)+MF(MORE FRAGMENT)
片偏移字段占13位：一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量。
片偏移字段以8字节为单位。
IP分片：
最大传输单元（MTU）：IP数据报在网络中传输，需要封装到链路层的数据帧里面。网络链路存在MTU——链路层数据帧可封装数据的上限。不同链路的MTU是不一样的。这就涉及到IP分片和重组
大IP分组向较小MTU链路转发时，可以被“分片”。（fragmented）路由器只管分不管装。由最终目的主机负责重组。
1个IP分组分为多片IP分组。IP分片到达目的主机后进行“重组”。
IP首部的相关字段用于识别分片以及确定分片的相对顺序。目的主机收不齐分片的话，会等待一段时间后，把其它分片都丢弃 。
IP分片过程：
假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M
若L>M,且DF=0，则可以/需要分片
分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识
通常分片时，除最后一个分片，其他分片均分为MTU允许的最大分片
一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数，因此，一个最大分片可封装的数据为：总需要分片数。
每片的片偏移字段取值为：
每片的总长度字段为：
每片的MF标志位为：
IP编址：
IP分组：源地址（SA）-从哪儿来；目的地址（DA）-到哪儿去
接口（interface）：主机/路由器与物理链接的连接：实现网络层功能；路由器通常有多个接口；主机通常只有一个或两个接口（有线的以太网接口和无线的802.11接口）。编址编的是实现网络层功能的接口
IP地址：32比特（IPv4） 编号标识主机、路由器的接口。分成4个8比特，每个8比特写成十进制。
IP地址与每个接口关联。实际上是指某个接口的IP地址。
怎样为接口分配IP地址？
IP子网：IP地址分成两个部分，高比特位表示网络号（NetID），低比特位表示（HostID）。具有相同网络号的局域网叫IP子网。
IP子网特点：IP地址具有相同网络号的设备接口。不跨越路由器可以彼此物理联通的接口。（第三层及以上层网络设备）
有类IP地址：有类编址
A类：NetID地址8位，HostID24位
B类：NetID地址16位，HostID16位
C类：NetID地址24位，HostID8位
D类，E类 用来命名和标识互联网中一组主机。
|
NetID |
HostID |
作为IP分组源地址 |
作为IP分组目的地址 |
用途 |
|
全0 |
全0 |
可以 |
不可以 |
在本网范围内表示本机；在路由表中用于表示默认路由（相当于表示整个Internet网络） |
|
全0 |
特定值 |
不可以 |
可以 |
表示本网内某个特定主机 |
|
全1 |
全1 |
不可以 |
可以 |
本网广播地址（路由器不转发） |
|
特定值 |
全0 |
不可以 |
不可以 |
网络地址，表示一个网络 |
|
特定值 |
全1 |
不可以 |
可以 |
直接广播地址，对特定网络上的所有主机进行广播 |
|
123 |
非全0或非全1的任何数 |
可以 |
可以 |
用于本地软件环回测试，称为环回地址 |
私有地址
IP子网划分与子网掩码：
子网划分：如何将一个IP子网划分成更小的网络。
IP地址继续划分：网络号（高比特）+子网号（原网络主机号部分比特）+主机号（低位比特）
如何确定是否划分了子网？利用多少位划分子网？
那就是子网掩码，形如IP地址：
32位，点分十进制形式
取值：NetID、SubID位全取1；HostID位全取0
子网地址+子网掩码——可以准确确定子网大小
路由器如何确定应该将IP分组转发到哪个子网？
子网掩码的应用：将IP分组的目的IP地址与子网掩码按位与运算，提取子网地址。
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4、无类域间路由(CIDR: Classless InterDomain Routing)
消除传统的 A 类、B 类和 C 类地址界限
NetID+SubID——Network Prefix 可以任意长度
融合子网地址与子网掩码，方便子网划分
无类地址格式：a.b.c.d/x ，其中 x 为前缀长度
例如：Prefix+HostID
提高 IPv4 地址空间分配效率
提高路由效率：将多个子网聚合为一个较大的子网，构造超网，路由转发表
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5、 DHCP协议
如何获得IP地址：
硬编码:静态配置
动态主机配置协议：Dynamic Host Configuration Protocol
从服务器动态获取：IP地址，子网掩码，默认网关地址，DNS服务器名称与IP地址
“即插即用”
允许地址重用
支持再用地址续租
支持移动用户加入网络
DHCP工作过程：主机广播（DHCP discover）；DHCP服务器利用（DHCP offer）；主机请求IP地址（DHCP request）; DHCP服务器分配IP地址（DHCP ack）
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6、 NAT网络地址转换
只需/能从ISP申请一个IP地址：IPv4地址耗尽
本地网络设备IP地址的变更，无需通告外界网络
变更ISP时，无需修改内部网络设备IP地址
内部网络设备对外界网络不可见，即不可直接寻址（安全）
替换：利用（NAT IP地址，新端口号）替换每个外出IP数据报的（源IP地址，源端口号）
记录：将每对（NAT IP地址，新端口号）与（源IP地址，源端口号）的替换信息存储到NAT转换表中
替换：根据NAT转换表，利用（源IP地址，源端口号）替换每个进入内网IP数据报的（目的IP地址，目的端口号），即（NAT IP地址，新端口号）
16-bit端口号字段：
可以同时支持60000多并行连接！
NAT主要争议：
路由器应该只处理第3层功能
违背端到端通信原则
地址短缺问题应该由IPv6解决
NAT的穿透问题：
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7、 ICMP协议 互联网控制报文协议
支持主机或路由器完成差错或异常报告；网络探询；
两类ICMP报文：
差错报告报文（5种）
目的不可达，源抑制，超时/超期，参数问题，重定向（Redirect）
网络探询报文：
回声（Echo）请求与应答报文（Reply）
ICMP报文封装到IP数据报中传输
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8、 IPv6简介
最初动机：32位IPv4地址空间已分配殆尽
其他动机：改进首部格式
快速处理/转发数据报
支持QoS
IPv6数据包格式：
固定长度的40字节基本首部40B+有效载荷（扩展首部+数据）64KB
基本首部（版本+优先级+流标签+载荷长度+下一个首部+跳步限制+源地址+目的地址）
不允许分片
优先级：标识数据报的优先级
流标签：标识同一“流”中的数据报
下一个首部：标识下一个选项首部或上层协议首部（如TCP首部）
其他改变vs IPv4
校验和：彻底移除，以减少每跳处理时间
选项：允许，但是从基本首部移出，定义多个选项首部，通过“下一个首部“字段指示
ICMPv6：新版ICMP
附加报文类型， e.g. “Packet Too Big“
多播组管理功能
IPv6地址表示形式：128bits
冒号分割的十六进制，8组16进制数
压缩形式:
一般形式:
IPv4-嵌入形式：
地址前缀:
URLs:
IPv6基本地址类型：
单播（unicast）：一对一通信
多播（multicast）：一对多通信
任意播（anycast）：
IPv4向IPv6过渡
不可能咋某个时刻所有路由器同时被更新为IPv6
不会有 “标志性的日期“
IPv4和IPv6路由器共存的网络如何运行？
隧道技术：IPv6数据报作为IPv4数据报的载荷进行封装，穿越IPv4网络。
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9、路由算法
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10、Internet路由